美研究人員發現利用電子注入誘發二維材料發生可逆結構相變的新方法

關鍵詞：電子注入二維材料可逆相變超薄存儲器低功耗開關

眾所周知，靜電荷可以讓頭髮豎起來、讓氣球粘在衣服上。近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室經一項全新研究發現，靜電荷還可作為驅動未來原子級超薄電子存儲器件的一種有效方式。該研究發表在最近一期的《自然》雜誌。

原理

研究人員發現，通過電子注入或「摻雜」可以使二維材料的原子結構發生可逆性的結構相變。而且這一過程比當前用於改變材料結構的其它方法所消耗的能量少很多。通過向材料中注入電子，可以使材料整體能量升高並打破體系的平衡狀態，誘發材料的原子結構按照全新的、更加穩定的結構模式進行重排。

這種在二維維度限制下由電子注入驅動的結構相變，不僅對基礎物理學研究至關重要，而且為下一代超薄電子存儲器和低功耗開關的研發創造了條件。將材料結構從一種狀態變到另一種狀態的二進位特性正是當今數字電路的基礎。雖然當前電子元器件已經縮小到僅有紙片薄厚的程度，但科學家仍然認為這些器件是三維結構。相比之下，二維單層材料僅由一層原子或分子構成，厚度是頭髮絲的十萬分之一。通過電子注入改變材料原子結構的方法對於二維材料來說是獨一無二的，因為相比於三維材料塊體材料，二維材料擁有更強的電可調性。

驅動材料結構發生改變的經典方法需要將材料加熱至500攝氏度以上，非常耗能，不適合實際應用。此外，多餘的熱量還會嚴重影響元器件集成電路的壽命。許多研究團隊還對利用化學品改變半導體材料的原子結構進行過研究，但這些過程非常難以控制，至今也沒有在業界推廣使用。與使用化學品相比，採用電子注入的方式過程可逆且不會產生雜質。在智能手機、電腦和其它電子設備製造中具有更大的應用潛力。

圖1 實驗裝置示意圖

如圖1所示，研究人員在典型二維半導體材料二碲化鉬表面塗布具有超高電容或電荷存儲能力的胺鹽離子液體（DEME-TFSI）。胺鹽離子液體層使以每平方厘米一百萬億甚至一千萬億的密度向半導體材料注入電子成為可能，注入的電子密度比普通三維塊體材料所能達到的水平高2到3個數量級。

光譜測試結果顯示，電子注入使二碲化鉬的原子結構從六方結構變成了單斜結構。當電子被收回後，材料的晶體結構又轉變為原來的六方結構，這表明這一相變過程確實是可逆的。此外，由於兩種結構的對稱性差異，還可在光學器件中得到應用。

意義

研究人員指出，這種具備光學或電子晶體管兩種功能的超薄器件，必將拓寬我們日常所使用電子設備的應用範圍。

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